Aislamiento de proteínas de filamento intermedio de múltiples tejidos de ratón para estudiar las modificaciones postraduccionales asociadas al envejecimiento

Summary

En este método, presentamos procedimientos bioquímicos para el aislamiento rápido y eficiente de proteínas de filamento intermedio (IF) de múltiples tejidos de ratón. Se pueden usar IFs aisladas para estudiar los cambios en las modificaciones postraduccionales por espectrometría de masas y otros ensayos bioquímicos.

Abstract

Los filamentos intermedios (IF), junto con filamentos de actina y microtúbulos, forman el citoesqueleto, un elemento estructural crítico de cada célula. El funcionamiento normal de las IF proporciona a las células resistencia mecánica y al estrés, mientras que un citoesqueleto disfuncional de IF compromete la salud celular y se ha asociado con muchas enfermedades humanas. Las modificaciones postraduccionales (PTMs) regulan críticamente la dinámica de IF en respuesta a cambios fisiológicos y bajo condiciones de estrés. Por lo tanto, la capacidad de supervisar los cambios en la firma PTM de IFs puede contribuir a una mejor comprensión funcional y, en última instancia, condicionamiento del sistema IF como un respondedor de estrés durante la lesión celular. Sin embargo, el gran número de proteínas IF, que están codificadas por más de 70 genes individuales y se expresan de una manera dependiente de los tejidos, es un reto importante para clasificar la importancia relativa de diferentes PTMs. Con este fin, los métodos que permiten el monitoreo de PTMs sobre las proteínas IFA nivel de todo el organismo, y no para miembros aislados de la familia, puede acelerar el progreso de la investigación en esta área. Aquí presentamos métodos bioquímicos para el aislamiento de la fracción total, soluble en detergente y resistente al detergente de las proteínas IF de 9 tejidos de ratón diferentes (cerebro, corazón, pulmón, hígado, intestino delgado, intestino grueso, páncreas, riñón y bazo). Demostramos además un protocolo optimizado para el aislamiento rápido de las proteínas IF utilizando matriz de lisis y homogeneización automatizada de diferentes tejidos de ratón. El protocolo automatizado es útil para perfilar IFs en experimentos con alto volumen de muestra (tal como en modelos de enfermedad que implican múltiples animales y grupos experimentales). Las muestras resultantes pueden utilizarse para diversos análisis de aguas abajo, incluyendo el perfilado de PTM basado en espectrometría de masas. Utilizando estos métodos, proporcionamos nuevos datos para demostrar que las proteínas IF en diferentes tejidos de ratón (cerebro e hígado) experimentan cambios paralelos con respecto a su expresiónY los PTM durante el envejecimiento.

Introduction

Las IF son una familia de proteínas que en los seres humanos están codificadas por 73 genes y categorizadas en seis tipos principales: los tipos I a IV son citoplásmicos ( por ejemplo, queratinas epiteliales y capilares (K), mi- cito desmina, neurofilamentos, proteína glicolar fibrilar (GFAP) y otros); Tipo V son las láminas nucleares; Y el tipo VI son IFs en la lente ocular ¹ . En cuanto a su organización molecular, las proteínas IF tienen tres dominios comunes: un dominio "varado" de bobina en espiral altamente conservado y dominios globulares de "cabeza" y "cola". Los tetrámeros de proteínas IF se unen para formar precursores de filamentos cortos, que finalmente se incorporan en filamentos maduros que forman estructuras citoesqueléticas y nucleoesqueléticas dinámicas involucradas en la protección mecánica ² , la detección de estrés ^{3 , 4} , la regulación de la transcripción ⁵ y el crecimiento y otras funciones celulares críticas"> 1 ^{, 6 , 7} .

La importancia funcional del sistema de IF se pone de relieve por la existencia de muchas enfermedades humanas causadas por mutaciones missense en genes de IF, incluyendo neuropatías, miopatías, trastornos de la fragilidad de la piel, disfunciones metabólicas y síndromes de envejecimiento prematuro ⁸ . Algunas mutaciones del gen IF no causan, pero predisponen a sus portadores a la progresión de la enfermedad, como las queratinas epiteliales simples en la enfermedad hepática ⁹ . Este último se debe a las funciones críticas de protección del estrés de las IF en los epitelios. Las IF en general se encuentran entre las proteínas celulares más abundantes en condiciones basales, pero se induce además fuertemente durante varios tipos de estrés ¹⁰ . Por ejemplo, estudios recientes que evalúan los cambios en todo el proteoma en el nematodo C. elegans demostraron que múltiples IFs están altamente reguladas y propensas a agregatiDurante el envejecimiento del organismo ^{11 , 12} . Dado que el mantenimiento de una estructura de IF adecuada es esencial para la resistencia celular a diversas formas de estrés ¹⁰ , la agregación de IF también puede contribuir a la disminución funcional durante el envejecimiento. Sin embargo, los estudios a nivel de organismal que examinan múltiples proteínas de mamífero IF a través de diferentes tejidos sometidos a estrés son deficientes.

Las IF son estructuras altamente dinámicas que se adaptan para satisfacer las demandas celulares. Las queratinas, por ejemplo, experimentan un ciclo independiente de biosíntesis entre el pool de proteínas solubles (no filamentosas) e insolubles (filamentosas) ¹³ . En condiciones fisiológicas normales, aproximadamente el 5% del total de K8 / K18 se puede extraer en tampón exento de detergente, en comparación con aproximadamente 20% que se puede solubilizar en el detergente no iónico Nonidet P-40, que es bioquímicamente comparable al Triton- X100 ^{14 ,} </sArriba> ¹⁵ . Durante la mitosis hay un notable aumento en la solubilidad de los epitelios de tipo simple K8 y K18 ¹⁴ , que es menos evidente en las queratinas epidérmicas, pero más evidente en la vimentina y otras proteínas tipo III IF [ ^{15 , 16]} . Las propiedades de solubilidad de las proteínas IF están estrechamente reguladas por la fosforilación, una modificación clave post-traduccional (PTM) para el reordenamiento de los filamentos y la solubilidad ^{17 , 18 , 19 , 20} . La mayoría de las IF se someten a regulación extensiva por una serie de PTM en sitios conservados, lo que resulta en cambios funcionales [ ^17] .

El propósito de este método es introducir a los investigadores que son nuevos en el campo de IF a la extracción bioquímica y métodos analíticos para el estudio de las proteínas de IF a través de múltiples tejidos de ratón. EspecíficoNos centramos en el aislamiento de las proteínas IF utilizando un método de extracción de alta sal y la evaluación de los cambios en PTMs a través de espectrometría de masas y por anticuerpos dirigidos a PTM. Estos métodos se basan en los procedimientos publicados anteriormente ^21, pero incluyen modificaciones para extraer diferentes tipos de proteínas IF para descubrir el mecanismo común de regulación en toda la familia IF. Por ejemplo, la acetilación de K8 en un residuo de lisina específico regula la organización del filamento, mientras que la hiperacetilación promueve la insolubilidad de K8 y la formación de agregados ²² . Recientes estudios de perfiles proteómicos globales han revelado adicionalmente que la mayoría de las proteínas específicas de tejido IF son también objetivos para la acetilación y que la mayoría de los sitios de acetilación IF están confinados al dominio de barras altamente conservadas. Esto pone de manifiesto la necesidad de métodos adecuados para el perfil global del sistema IF. También se introduce un método rápido de aislamiento IF proteínas de múltiples tejidos utilizando homogeneización automatizada en optiMatriz de lisis. Las preparaciones resultantes son adecuadas para análisis PTM aguas abajo a través de espectrometría de masas y otros métodos.

Protocol

El protocolo es aprobado y realizado de acuerdo con el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) en la Universidad de Carolina del Norte. 1. Preparaciones Preparar tampón Triton-X (Triton X-100 al 1%, ácido etilendiaminotetraacético 5 mM (EDTA), aumentar el volumen en solución salina tamponada con fosfato (PBS), pH 7,4). Para preparar 500 ml: mezclar 5 ml cada uno de Triton X-100 y 500 mM de EDTA en 490 ml de PBS, pH 7,4. Guarde la solución tampón Triton-X a 4 ° C. Pr…

Representative Results

Un nuevo método rápido para la alta extracción basada en sal de las proteínas de IF de múltiples tejidos de ratón utilizando lysing matriz. El método tradicional 25 , 26 de aislar el grueso de la fracción de proteína de filamento intermedio del tejido epitelial se modificó aquí para incluir 9 órganos d…

Discussion

Los métodos que permiten la caracterización bioquímica de las proteínas IF pueden ser útiles para entender numerosos fenómenos fisiopatológicos en los sistemas de mamíferos, ya que las proteínas IF son a la vez marcadores y moduladores del estrés celular y tisular ²⁹ . El principio detrás del método actual se basa en los procedimientos iniciales desarrollados en los años 70 y 80 para aislar, separar y reconstituir las proteínas IF de las células y tejidos, empleando generalmente so…

Materials

Dynabeads Protein G	ThermoFisher Scientific	10009	immunoprecipitation beads
PBS	ThermoFisher Scientific	10010049	for buffers
Purelink RNA mini kit	ThermoFisher Scientific	12183018	RNA extraction from tissue
Purelink DNAse set	ThermoFisher Scientific	12185010A	on column DNA digestion
Dynamag-2	ThermoFisher Scientific	12321D	magnet for use with dynabeads
GelCode Blue Stain Reagent	ThermoFisher Scientific	24592	mass spectrometry-compatible gel stain
Pierce ECL Western Blotting Substrate	ThermoFisher Scientific	32106	for use in western blot
High Capacity cDNA reverse transcription kit	ThermoFisher Scientific	4368813	for use in gene expression analysis
Proflex 3×32-well PCR System	ThermoFisher Scientific	4484073	PCR system
PVDF transfer membrane	ThermoFisher Scientific	88520	for western blot
Power Up SYBR master mix	ThermoFisher Scientific	A25778	for qPCR analysis
RNAlater	ThermoFisher Scientific	AM7020	solution for tissue storage prior to RNA isolation
Novex 4-20% Tris Glycine Gel	ThermoFisher Scientific	XP04205BOX	Precast protein gel
Anti-Keratin 8 antibody (TS1)	ThermoFisher Scientific	MA514428	for western blot detection of K8
Anti-Vimentin	ThermoFisher Scientific	MA511883	for western blot detection of vimentin
Tris Glycine Transfer Buffer (25X)	ThermoFisher Scientific	LC3675	for wet transfer of protein gels
2X SDS Sample Buffer	ThermoFisher Scientific	LC2676	for preparing protein gel samples
Tris Glycine SDS Running Buffer (10X)	ThermoFisher Scientific	LC26755	for running protein gels
Lysing beads – Matrix D	MP Biomedicals	116913100	Lysis beads and matrix tubes for tissue disruption and RNA extraction
Lysing beads – Matrix SS	MP Biomedicals	116921100	Lysis beads and matrix tubes for tissue disruption and protein extraction
NanoDrop Lite Spectrophotometer	ThermoFisher Scientific	ND-LITE	measurement of protein and nucleic acid
Precellys 24 homogenizer	Bertin Instruments	EQ03119	Automated tissue homogenizer